第五组-----氧化锆陶瓷基复合材料.ppt

第五组汇报人 曹巧玲组员 曹巧玲顾明星产文斌程言营邹庆元张猛刚周雷周洋 氧化锆陶瓷基复合材料 内容提要 氧化锆陶瓷的特点 性能及种类氧化锆陶瓷增韧的机理氧化锆陶瓷复合材料的应用 氧化锆陶瓷的特点 性能 特点 纯ZrO2为白色 含杂质时呈黄色或灰色 添加显色剂还可显示各种其它颜色 纯氧化锆的分子量123 22 理论密度是5 89g cm3 熔点为2715 性能 化学性能稳定 除硫酸和氢氟酸外 对酸 碱及碱熔体 玻璃熔体和熔融金属具有很好的稳定性 热导率低 热稳定性好及高温蠕变小是氧化锆陶瓷的最主要特征 纯二氧化锆陶瓷致密烧结体变形温度高达2400 2500 一般纯工业二氧化锆生产的制品蠕变温度也达2200 具有极好的耐磨性 与三氧化二铝陶瓷相比 其磨损率为0 15 氧化锆陶瓷种类 1 稳定氧化锆陶瓷类由于纯氧化锆硬度很大 且发生相变时伴随有3 5 的体积变化 所以无法制备出理想的制品 必须进行晶型稳定化处理 常用的稳定剂 如MgO CaO Y2O3或CeO2等稀土氧化物等 阳离子半径与Zr4 相近 相差在12 以内 在ZrO2中溶解度很大 可以和ZrO2形成置换型固溶体 这种固溶体可以通过急冷处理保持稳定 不再发生相变 没有体积变化 称为稳定氧化锆陶瓷 2 部分稳定氧化锆 PartiallyStabilizedZirconia PSZ 类在氧化锆稳定化过程中 如果稳定剂添加量不足 就不会完全转化为稳定的立方相 而是由立方相和四方相混合组成的部分稳定结构 3 四方多晶氧化锆增韧陶瓷 TetragonalZirconiaPolycrystals TZP 其临界粒径在0 1 10nm范围内 取决于稳定剂的固溶量和材料密度 全部由四方相组成 理论上具有最好的韧性 4其它弥散氧化锆陶瓷 DiffusedZirconiaCeramics DZC 如氧化锆增韧莫来石陶瓷具有良好的高温力学性能 但常温性能不理想 其它还有氧化锆增韧氮化硅陶瓷和氧化锆增韧玻璃陶瓷等 5 氧化锆的晶型种类 单斜 Monoclinic 氧化锆 m ZrO2 四方 Tetragonal 氧化锆 t ZrO2 立方 Cubic 氧化锆 c ZrO2 在低温段 950 为单斜相 在中温段 1200 2370 为四方相 在高温段 2370 为立方相 氧化锆陶瓷增韧的机理1 应力诱发相变增韧如果四方相氧化锆的晶粒足够细 或者基体对其束缚力足够大 冷却过程中四方相 单斜相的相变就可受到抑制 四方相可稳定地保留到室温 当裂纹受到外应力作用扩展时 裂纹前端形成较大的张应力 使基体对四方相的约束力得到松弛 四方相相变为单斜相 此时相变就产生3 5 的体积膨胀和1 7 的剪切应变 并对基体产生压应变 使裂纹扩展受阻 主裂纹延伸需要的能量增加 即在裂纹尖端应力场的作用下 氧化锆晶粒发生马氏体相变 吸收了能量 提高了断裂能 从而提高了断裂韧性 图1为应力诱导相变示意图 2 微裂纹增韧陶瓷材料中 由于存在局部残余应力 在烧结体中有一定数量的微裂纹 这些微裂纹降低了作用区的弹性模量 受外力作用时微裂纹以亚临界裂纹缓慢扩展 释放主裂纹尖端的部分应变能 增加了由裂纹扩展面积增加所产生的总表面能主裂纹进一步扩展所需的能量 有效地抑制了裂纹扩展 提高了断裂韧性 如图2所示 3 裂纹的弯曲和偏转增韧裂纹的弯曲和偏转增韧的机理为 在裂纹的扩展路径上 放置一些障碍 阻碍裂纹的运动 使裂纹扩展时须改变方向 这些障碍可以是第二相粒子 也可以是第二相产生的应力集中或残余应力等当裂纹的扩展受到阻碍时 裂纹会弯曲绕过障碍物继续在同一平面内前进 裂纹也可能会偏转 试图完全避开障碍 在氧化锆增韧陶瓷中 这两种情况可同时发生 裂纹的弯曲 偏转增韧机理认增韧效果与温度无关 但如果残余应力来自于热膨胀系数失配 那么就会受到温度的影响 对氧化锆增韧陶瓷 裂纹的偏转通常发生在相变了的单斜相氧化锆颗粒周围 4 表面强化增韧表面强化增韧陶瓷材料的断裂往往是从表面拉应力超过断裂应力开始的 由于ZrO2陶瓷烧结体表面存在基体的约束较少 t ZrO2容易转变为m ZrO2 而内部t ZrO2由于受基体各方向的压力保持亚稳定状态 因此表面的m ZrO2比内部的多 而转变产生的体积膨胀使材料表面产生残余的压应力 可以抵消一部分外加的拉应力 从而造成表面强化增韧 氧化锆陶瓷复合材料的应用 在结构陶瓷方面由于氧化锆陶瓷具有高韧性 高抗弯强度和高耐磨性 优异的隔热性能 热膨胀系数接近于钢等优点 因此被广泛应用于结构陶瓷领域 主要有 Y TZP磨球 分散和研磨介质 喷嘴 球阀球座 氧化锆模具 微型风扇轴心 光纤插针 光纤套筒 拉丝模和切割工具 耐磨刀具 表壳及表带 高尔夫球的轻型击球棒及其它室温耐磨零器件等 氧化锆磨介 砂磨机专用系列耐磨配件 氧化锆陶瓷刀 在功能陶瓷方面其优异的耐高温性能作为感应加热管 耐火材料 发热元件使用 氧化锆陶瓷具有敏感的电性能参数 主要应用于氧传感器 固体氧化物燃料电池和高温发热体等领域 Zr02具有较高的折射率 在超细的氧化锆粉末中添加一定的着色元素 V205 Mo03 Fe203等 可将它制成多彩的半透明多晶Zr02材料 像天然宝石一样闪烁着绚丽多彩的光芒 可制成各种装饰品 另外 氧化锆在热障涂层 催化剂载体 医疗 保健 耐火材料 纺织等领域正得到广泛应用 加工完成的氧化锆全瓷冠 二氧化锆全瓷牙 是目前烤瓷牙中比较高档的 它由电脑辅助制作 材料对人体无刺激 生物相容性很好 对人体不会产生什么不良反应 氧化锆基陶瓷内螺旋轴衬 在污水处理设备上替代硬质合金材料应用 具有比硬质合金材料更耐腐蚀 更耐磨 不生锈 使用寿命长 设备效率大幅度提高的特点 氧化锆复相陶瓷外螺旋轴套 是用于火力发电和燃油锅炉等离子点火器配套产品 可以实现煤粉锅炉无油点火和稳定燃烧 大幅度节省能源 具有可观的经济效益